自卸车腹顶连杆组合式举升机构液压系统的技术完善与拓展升级

文 刘传锋

(注：本文作者单位系济南液压泵有限责任公司。)

本文对自卸车腹顶连杆组合式举升机构实际应用中存在的液压系统故障进行了原理剖析和元件诊断，指出了液压系统潜在的功能局限性，并在此基础上归纳出一系列技术完善和拓展升级措施，对提高自卸车的安全性、降低驾驶员的劳动强度、保障举升机构的耐久性等具有借鉴作用。

笔者曾在《专用汽车与配件》2013年3月刊发表了《自卸汽车腹顶连杆组合式举升机构的液压系统研究与探讨》(下简称《研究与探讨》)一文，该文对加油过程误操作和清洁度超差这2个原因引起的故障进行了分析，指出了加油注意事项及清洁度指标，由此造成的常见故障是可以避免的。除此之外，使用中还存在着其他诱发液压元件损坏并造成工作系统故障的原因。分析这部分故障的根本缘由，虽与前述常见故障有所不同，但绝大部分诱因存在某些关联和相似之初。笔者通过汇总及深入分析得出，这些故障与液压系统本身存在的某些潜在功能的缺失密不可分。

当前，国内重型自卸车腹顶式举升液压单元的核心技术是在20世纪80年代引进，后随着市场发展，在满足重载要求和操作方式优化等方面得到了诸多积极性的升级。例如，载质量增加导致油缸缸径增大，进而出现油泵排量和压力的换代提升，操作方式由手动液压改为气动先导控制等。然而，在附属潜在功能的完善升级方面却略显滞缓，仅仅从移植放大轻型或中型自卸车液压系统的基本元件入手，而对载质量增加引发的故障与事故，并没有与时俱进地进一步深入研究。

同时，由于目前国内重型自卸车行业的生产经营模式多是上装部分的货箱由改装企业制造，而液压系统直接采购下游成品。因此，绝大多数改装企业采取“拿来主义”，并不直接参与液压系统的设计与元件制造。这导致产品在功能方面存在着某种程度的脱节，即仅仅局限于实现自卸车的基本工作功能(举升、中停和下落)。而处于产业链下游的液压元件制造商虽已形成一定的(生产)规模，却因其受困于自身技术研发实力以及与实际使用情况相对脱节的限制，提供的产品功能比较单一，其必备的附属潜在功能存在一定缺失。同时，行业内“得其形，而未得其神”的“仿造”现象也比较普遍。

基于以上客观事实，笔者认为除了液压元件体积增大外，近20多年来技术改变不大，整个行业为保市场而被迫进入“比价格、拼服务”的恶性竞争误圈。伴随着诸多相似故障的频出，以及国外前置直推方式的引进，腹顶连杆组合式举升系统正在逐渐淡出重型自卸车改装市场。

然而，《研究与探讨》中通过对比已经充分说明腹顶连杆组合式具有制造成本低、抗污染能力强和工作效率高的特点，在货箱长度＜7 m的车型中运营经济性优势更加显著。为此，通过分析液压系统之后，笔者认为可以通过开展“以人为本”的设计，将目前液压举升系统加以升级完善和技术拓展，通过对各个环节的优化设计，来杜绝故障的发生。

1 自卸汽车液压倾卸机构各类故障的原因分析

本文是《研究与探讨》的后续篇，由于考虑到读者多为业内人士，故只引用《研究与探讨》的结论，而略去这部分结论的推导与论述过程。对于文中所涉及的腹顶连杆组合式举升机构的知识点，读者如有某些专业术语或结论不便于理解时，可以参考前述文章。

自卸车工作单元(货箱)的动作故障原因除了倾卸机械机构和传动机构卡滞、装配质量问题、控制单元(手控阀、限位阀)泄漏、加油方法不当等之外，大体集中反映在液压元件(分配阀、液压泵和液压油缸等)不同程度的损坏，为了便于论述问题，将各类症状现象按照由表及里、层层分解、相似合并的步骤汇总如下。

从图1中可以得出，在控制加油方法、定期清理更换各类过滤器、控制液压元件清洁度指标后，常见故障是可以大幅减少或予以避免的。然而气蚀、小循环、过载这3个潜在原因所引起的液压系统故障由于一直无法克服而被业内所默认，由这3种原因造成的故障损失一般会转嫁给最终用户或液压元件制造商和改装企业。客观潜在隐患的存在，导致了车辆故障率偏高。潜在隐患详细论述如下。

1.1 液压系统的过载隐患

1.1.1 国内腹顶连杆组合式举升机构液压系统工作原理如图2和图3。

腹顶连杆组合式基本功能的实现：

(1)举升功能：发动机通过变速器、取力器驱动液压油泵5旋转，操纵手控阀3处于“举升位置”，油泵5运转时两齿轮间的形成真空，在大气压力(或补油压力)的作用下，油液从油箱6(或外置油罐6)进入油泵，再通过分配阀2输送到液压油缸1以推动货箱倾卸货物。

(2)中停功能：通过操纵手控阀3处于“中停位置”，可以控制液压油的通与断，使货箱停止在任何需要的倾斜角度上。

(3)下降功能：当操纵手控阀3处于“下降位置”，利用货箱自身重力，液压油缸1内部的液压油经分配阀2返回油箱6(或外置油腔6)，货箱随即降落复位。

1.1.2 国外前置直推式举升机构液压系统工作原理如图4。

前置直推式基本功能的实现同样是液压油泵将机械能转换成液压能，为液压系统提供动力；液压分配阀通过控制和调节液压油的流动方向，控制货箱实现举升、中停和降落等动作；液压油缸将液压能重新转换成机械能，作为执行元件实现货箱的举升与降落。基本液压原理与腹顶连杆组合式是完全一致的，此处不再赘述。

然而，基本液压原理一致不等于其所能实现的效果就相同。前置直推式为适应种种恶劣工况、“违规作业”在各个环节采取了一系列应对和预防措施，与腹顶连杆组合式相比最显著的区别就在于分配阀具有过载溢流的作用：如果因举升全过程、货物超载及货物倾卸时出现超过系统预先设定的过载压力，分配阀7内的先导式溢流阀会随即打开卸荷口，确保整个液压系统的安全。具体预防原理详见《配装国产前置式液压系统的自卸汽车恶性事故分析及液压系统优化》(《专用汽车与配件》2012年11月刊，下简称《分析及优化》)。

由图2和3不难看出，由于该液压系统中并没有设计安全阀，系统无法卸荷，当举升货物质量超出承载范围、货物倾卸、分配阀突然换向、液压油泵突然停机、执行元件运动突然停止时，都会使液压系统管路内的液体流动发生急速的变化，这部分液体的动能就会瞬间转化为压力能，并以冲击波的形态从被滞留处向后传播。这种冲击波会导致系统内部压力的无限增大,当压力超出缸筒、阀体、泵体、高压油管的承受范围时，极易造成缸筒变形、焊缝开裂、严重刮壳、裂体、油管爆裂、管道破裂、研伤摩擦副件、冲毁密封件等故障(如图5)。

需要特别指出的是：腹顶连杆组合式液压系统在某种程度上也具有一定的过载溢流作用，即为了避免当液压油缸活塞举升至最大行程后，缸内因困油使压力无限增大导致的一系列过载隐患，在油缸内部最大行程处设置了限位阀(或限位槽)，结合图6可以看出，这些装置仅在活塞到达最大行程之后才会发生限位卸荷的作用，而在举升全过程、货物超载及前抖车卸货等工况下突然过载或超压时，根本起不到任何卸荷防护作用。

该类液压举升系统未设置安全阀这一点客观事实，对于载荷有限的小吨位自卸车影响不太明显。然而，随着中、重型自卸车的发展，无过载防护措施诱发的质量问题愈加突出。面对时常发生的大小故障，国内自卸车改装企业基于种种客观原因，并没有从根本上解决上述液压系统存在的潜在安全功能方面的不足，而是普遍采取被动式的预防方式。

1.2 气蚀的危害

《研究与探讨》中已经提到内置油腔、外置油罐的主要作用之一是平衡有杆腔与无杆腔的体积差，在液压闭式回路系统内部必须存在一个储备活塞杆来回收液压溢出时油体积的空腔。进一步分析得知，它的结构型式为分离式蓄能器的一种，这种蓄能器的气体与液体直接接触，蓄能器中分为液相和气相。其优点是蓄能器容量大、反应灵敏和节约能耗；缺点是气体被油液吸收，使液压元件容易产生气蚀损坏。具体分析如下：

液压系统在大气压环境下工作，因此油液中掺气是不可避免的。油中掺气有2种方式：掺混空气和溶解空气。通过这2种方式溶解在油液中的空气，对油液的物理性质没有什么直接影响；但溶解于油液中的空气会随油液流动，当液压系统某处的压力达到一定真空度时便会出现饱和现象，会分析出空气来，这是所有液压系统中最大的安全隐患。

(1)空气以气泡状掺混于大量的油液中，称之为气泡油，流动的气泡油实质上是液-气二相流，称为气泡流。这种气泡流对液压系统的动特性影响很大，并且由于气体存在可压缩性，会降低液压系统的刚性，使其反应迟滞，并出现“爬行、跳动”等现象。这类现象较为直观，易于发现和排除。

液压开式回路系统一般采取缓慢落下货箱后，静置一段时间等待空气溢出，或更换新的液压油的方法。液压闭式回路系统则是将货箱反复缓慢举升3～5次后，在货箱举升至最大角度时旋开排气螺堵进行放气、添加油液。

(2)当油液的绝对压力降低至油液的空气分离压时，油中溶解的空气就分离出来，细微、分散的气泡会聚集成较大的气泡。与水中产生空气泡的气穴现象相对应，这种油中产生空气泡的现象也称为“空气分离现象”，以示区别。但一般而言，这其实就是存在于液体中的一种气穴，气穴的存在除使液压油流动性能变差外，还会伴有噪声和振动。基于液压油粘度过大、吸油管过细且管径过长、吸油过滤器堵塞等因素造成的吸油阻力过大，并在液压泵的吸油腔压力降至大气压力以下时，溶解于油中的空气在油泵的吸油端就容易产生气穴(气泡)。而整个液压系统的最高压力处恰恰是泵的出油腔，当随油液进入高压区的气泡瞬间被压溃时，气泡体积的急速缩小乃至完全消失会导致局部真空，周围的高压油液便高速冲向真空区域，从而在局部产生极大的冲击力，使与油液接触的表面疲劳或击毁，姑且可以称为“液击”(如图7所示，原理与水击中的负压波极为相似)。

同时，由于当气泡在绝热环境下受压缩会出现高温，据国外专业书籍介绍，气泡内的温度容易达到500 ℃。在如此高的温度下油液会局部燃烧，结果高温使液压油产生黑变现象，即产生游离的炭黑，同时亦产生化学腐蚀，局部存在的高温和高压会使金属表面疲劳，时间一长就会造成金属表面的点蚀、剥落，并形成海棉孔状的小洞穴。这些物理和化学的综合作用使元件表面受到局部侵蚀，称为“气蚀”(如图8)。

总而言之，气穴是液体流动中的一种极为有害的现象，轻则会缩短液压元件的寿命，重则造成液压元件故障，因此应尽量避免或减少其危害性。由于分离式蓄能器容易产生气穴，如今在其他液压领域(特别是在高压工况)已经极少采用。

1.3 小循环的故障隐患

分析液压系统原理图2和图3，图中红色实线部分是将油泵的进油口和出油口直接相连，即大众所熟悉的泵阀联体(参考图9)或泵阀一体，这种结构内部必定存在着油液小循环区域。

当自卸车处于中停或下降状态时，假设取力器没有及时脱开(客观存在)，油泵一直处于运转状态，液压油在油泵的进油口和出油口之间小范围的往返进出，这种油液循环形式，业内一般称作“小循环”(如图9、10黄色箭头所示区域)。

“小循环”主要不利有4点：

(1)液压元件内部摩擦副除了密封和力的传递，还有润滑作用，即应保证处于边界润滑状态。当滑动面间的相对运动不能形成必要的润滑条件(边界油膜)时，机械摩擦副将会很快被破坏。上述“小循环”会迫使油泵内腔局部油液温度急速升高，润滑油膜破裂，出现缺油状态下的干摩擦并造成损伤；继而后续作业时，齿轮与浮动补偿侧板(或轴套)间的摩擦副高速运转时已经不能建立起有效支撑的边界油膜，在高压油泵内部轴向浮动补偿背压区的压力推动下，极短时间内就会在高温与磨粒磨损综合作用下彻底烧毁元件本身(如图11)。

(2)《研究与探讨》已经谈到磨损，其实就是控制磨料磨损，由于干摩擦极易产生金属颗粒污染物，随着油液的流动，当金属颗粒污染物进入其他具有相对运动的接触面之间的缝隙时，轻则引起分配阀阀杆卡滞，造成操控失灵，暂时无法工作；重则损伤密封面的零部件和加速摩擦副间的磨损，引起各种型式的外渗漏和内泄漏，导致元件早期失效。

(3)局部高温引起液压油变质会严重缩短液压油液的使用寿命。一般液压系统最适合的温度为40～60 ℃，在此温度下液压元件的工作效率最高，油液的抗氧化性也处于最佳状态。如果工作温度超过80 ℃，油液将早期劣化(事实证明，作业温度每升高10 ℃，油的劣化速度增加2倍)；另外，高温还将引起油液粘度降低、润滑性能变差和油膜损坏。

(4)当局部高温超过密封件的耐热极限时，会造成密封件的炭化失效、密封防护件的软化流动变形(如图12)，从而引起液压元件内泄漏，导致元件过早报废。

因此液压系统的油液工作温度不宜超过80℃，短时间温升不得超过90 ℃，一旦超过这一温度，必须停机冷却或采取增设强制冷却热交换部件。对于液压动力元件的齿轮泵，明确要求局部温度极限一般≤85 ℃。

对比液压系统原理图2、3和图4，可以看到3者的显著区别在于：液压原理图4中除了所采用的泵阀分体结构不同外，图中还存在红色实线部分一端连接油泵的出油口、另一端连接着液压油箱的回油口，即在非正常情况下泵出的油液直接流回油箱，彻底杜绝了上述液压油在小范围内往返循环问题。

(注：所谓泵阀联体或泵阀一体(如图13)，即油泵与分配阀直接采取刚性连接或将分配阀设计成油泵后盖的一部分的组合体。优势在于结构紧凑，便于布置管路；缺点是散热性稍差、非作业状态下不允许油泵自转(低速运转1 min以下，影响不大))。

1.4 呼吸孔的隐患

大气中含有的粉尘、管道内的锈粉及密封材料的碎屑等侵入到液压系统中，将引起运动件卡死、动作失灵、加速元件磨损、降低使用寿命，严重影响系统性能。分配阀为了便于内部阀杆的灵活往复移动，大都设置了呼吸孔，因此也就存在非完全封闭。设想在野外恶劣的工况下，阀杆的往复运动、容积的变化，难免会成为矿粉、雨水、灰尘自由的进出通道，自然会出现因颗粒污染物卡住阀芯、阀杆造成液压元件失灵，以及分配阀内部阀杆、弹簧锈蚀，从而缩短分配阀的寿命，并殃及其他液压元件的正常“功效”，最终严重影响到整个液压系统的可靠性。

与国外某分配阀的对比(如图14)中可看出，明显的区别在于一个是外置呼吸孔，一个是内置油道。前者的优势不仅仅在于阻止了外部污染物的进入，还在于对内部的阀杆、弹簧、密封组件等零部件的润滑或及防锈的作用(具体原理详见《分析及优化》)。

1.5 二次举升过程的货箱冲击

在倾卸粘滞货物需要二次举升货箱的特殊工况下，如果货箱与车架成某一角度，当操作手控阀3置于“举升位置”时，某些分配阀在切换的过程，阀内部会出现油缸C口、油泵P口、分配阀T口三腔联通的移动工作位置(参见图15)，在货物重力的作用下，货箱会产生不同程度的自行下落(即：“点头”现象)。

在正常(一次)举升情况下，由于货箱平放在底盘之上，处于水平位置，这一潜在功能缺陷是完全可以忽略不计的；而某些必须要二次举升的工况则不可避免的出现货箱自降点头，重载时甚至出现货箱连同货物冲击汽车底盘，引起驾驶室强烈晃动及上窜的问题，严重威胁驾驶员的安全。

笔者通过分析国外某品牌前举升分配阀得出，为了预防分配阀举升切换全过程中，阀杆移动时会将连接油泵出油口的阀内通道关闭(此时油泵与过载阀的油路亦被切断)，存在阀内压力瞬间过载的隐患，便将阀杆设计成负遮盖滑阀的型式(如图15)，也是存在三腔连通的状况。虽然在二次举升中也将存在这种现象，但由于有效控制了零件间的位置公差同时施以极其精密的加工，因只是存在少量的泄漏，并且切换时间极短，在一般情况下货箱的自动点头下落驾驶员是几乎觉察不到的。

2 液压系统的完善与改进

受困于重型自卸车液压元件的整体水平，为避免早期存在的液压系统故障，一般依靠诸多的规章制度、作业规范、保养维护指南等条款来约束驾驶员的操作行为。然而驾驶员的知识层次有高有低，工作状态时好时差，会导致故障依旧出现，采取口头防范终究是不能根治这些潜在问题和故障隐患的。

基于此，我们可以得出，腹顶式液压举升系统要达到耐用、可靠、安全等指标，必须适应上述恶劣工况的要求，而减少或避免故障，所必备的条件归纳如下：

(1)采取适当的防范液压系统过载的措施，以应对自卸车使用过程中诸多形式的超载、超压现象。

(2)提高液压系统抵抗液击、气蚀的能力，杜绝气穴的出现，保证液压元件在良好工况下正常使用。

(3)改进结构布局，避免系统小循环对液压元件的损害，延长液压元件的使用寿命。

(4)改进液压分配阀呼吸孔道的设计，去除外置呼吸孔或采取必要的隔离措施，避免外来侵入物的污染。

(5)克服二次举升过程中货箱“点头”的冲击隐患。

本文通过对比腹顶式、前置式举升液压系统及元件的配置，结合使用过程出现的各类故障现象，按照①故障统分②逐项分析③原因归类④应对措施的步骤，结合诸多恶劣工况，指出当前暂时存在的这样或那样无法根本解决的弊端，论证了完善液压系统和元件性能升级是预防故障、解决隐患的关键。

改善自卸车举升机构的安全性能、降低驾驶员的劳动强度、提高液压元件寿命和工作可靠性等都是当前面临的新课题，而要克服上述潜在功能局限性就需采取实际措施加以应对，这正是笔者后续将要与同行们共同探讨的。

[1] 雷天觉，《新编液压工程手册》，北京理工大学出版社

[2] 日本液压气动协会，《液压与气动手册》，机械工业出版社

[3] 范存德,《液压技术手册》，辽宁科学技术出版社

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[9] 刘延俊,《液压系统使用与维修》，化学工业出版社

[10] 张磊,《实用液压300题》，机械工业出版社

[11] 刘传锋，《配装国产前置式液压系统的自卸汽车恶性事故分析及液压系统优化》，商用汽车/专用汽车与配件(2012.11下)

[12] 刘传锋，《自卸汽车腹顶连杆组合式举升机构的液压系统研究与探讨》，商用汽车/专用汽车与配件(2013.03下)